汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及核電站汽輪機機械結構設計技術領域，具體一種汽輪機末級葉片 防蝕片低應力集中鑲嵌結構。
【背景技術】
[0002] 汽輪機是將蒸汽熱能轉化為機械能的旋轉式動力機械設備，汽輪機末級葉片和次 末級葉片（以下統稱末級葉片)是關鍵和精細部件之一，如圖1所示。水蒸汽在汽輪機內膨脹 做功，水滴凝結析出使水蒸氣濕度增大并在汽輪機靜葉部位形成水膜。在水蒸汽流作用下， 水膜從靜葉表面脫離和運動，并破碎成直徑數十至數百Mi水滴。水滴撞擊末級葉片表面時， 由球狀變成膜狀，在與末級葉片接觸面形成的壓強使葉片材料發生局部塑性變形和應變硬 化。在汽輪機運行期間水滴撞擊的連續作用下，葉片局部材料因疲勞累計損傷從葉片表面 脫離形成水滴沖蝕(簡稱水蝕）。水蝕主要發生在末級葉片頂部的進汽邊，所造成的鋸齒狀 材料缺失表面會造成應力集中和葉型截面面積減小，從而影響葉片的振動特性、減小葉片 受力橫截面積、使葉柵氣動性能惡化、級效率下降，嚴重時會導致末級葉片頂部斷裂事故發 生。
[0003] 水蝕防護是汽輪機末級葉片普遍存在的難題。針對汽輪機末級葉片水蝕防護，目 前采取在葉片增加表面防護層將葉片與水蝕介質隔開的措施。主要措施有葉片頂部鑲嵌防 蝕片、表面淬硬、電火花強化、涂層、電子束表面處理等。末級葉片和次末級葉片頂部鑲嵌防 蝕片，是應用歷史較長、較為經濟的措施。
[0004] 末級葉片和次末級葉片頂部司太立合金片鑲嵌工藝技術，一般是在葉片頂部的進 汽邊及背弧側葉型上機械加工出一個L形包角凹槽，采用銀釬焊將長條狀兩面包角形司太 立合金片鑲嵌在凹槽中，使司太立合金片成為葉片葉型整體的一部分。具體結構見圖2至圖 4
[0005] 現有末級葉片頂部司太立合金片鑲嵌工藝技術存在的不足之處，是司太立合金片 鑲嵌凹槽結構的應力集中系數較大，凹槽根部成為葉片結構可靠性薄弱部位，疲勞裂紋在 此凹槽根部萌生和擴展，已經多次導致過汽輪機末級葉片頂部斷裂事故的發生，包括國內、 外核電汽輪機末級葉片。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型的目的是針對現有汽輪機末級葉片和次末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結 構存在應力集中系數過大可能導致材料疲勞裂紋在此鑲嵌結構部位的萌生和擴展進而導 致葉片頂部斷裂的問題，克服現有技術的缺陷，提供一種汽輪機末級葉片防蝕片低應力集 中度鑲嵌結構，防止汽輪機末級葉片頂部斷裂事故的發生。
[0007] 本實用新型是這樣實現的：
[0008] -種汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構，在汽輪機末級葉片頂部的進氣 邊和背弧側葉型上開有L形包角的防蝕片鑲嵌凹槽。背弧側的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1。進 氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1+L2,由頂部至根部依次為L1范圍和L2范圍。在進氣邊的防 蝕片鑲嵌凹槽的根部開有圓角R。防蝕片鑲嵌凹槽深度為t。長度為L1、厚度為t的長條狀兩 面包角形司太立合金片鑲嵌在防蝕片鑲嵌凹槽中，覆蓋背弧側的防蝕片鑲嵌凹槽和進氣邊 的防蝕片鑲嵌凹槽的L1范圍。進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L2范圍采用銀釬料焊接填充。
[0009] 如上所述的防蝕片鑲嵌凹槽長度L1長度為90mm，圓角R的尺寸為10mm，防蝕片鑲嵌 凹槽深度t為1mm，進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度與背弧側的防蝕片鑲嵌凹槽長度的差值L2 為10mm〇
[0010] 本實用新型的有益效果是：
[0011] 本實用新型具有如下優勢：
[0012] (1)汽輪機末級葉片防蝕片采用低應力集中鑲嵌結構，提高葉片機械結構的固有 可靠性，提高了汽輪機運行的安全性和可靠性，有效防止汽輪機末級葉片頂部斷裂事故的 發生，具有重要的社會效益和經濟效益。
[0013] (2)汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構已用于秦山第二核電廠核電汽輪 機，其效果得到了實際的工程驗證。
[0014] (3)汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構已在中國核能電力股份有限公司 其它一部分核電汽輪機末級葉片優化設計上得到推廣應用。
【附圖說明】
[0015] 圖1是典型的汽輪機末級葉片結構示意圖；
[0016] 圖2是典型的汽輪機末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結構的示意圖；
[0017] 圖3是典型的汽輪機末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結構的Q-Q向視圖；
[0018] 圖4是典型的汽輪機末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結構的T-T向視圖；
[0019] 圖5是本發明的汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構的示意圖；
[0020] 圖6是本發明的汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構的Q-Q向視圖；
[0021]圖7是本發明的汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構的T-T向視圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖和實施例對本實用新型進行進一步描述。
[0023] 如圖5至圖7所示，一種汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構，在汽輪機末 級葉片頂部的進氣邊和背弧側葉型上開有L形包角的防蝕片鑲嵌凹槽。背弧側的防蝕片鑲 嵌凹槽長度為L1。進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1+L2,由頂部至根部依次為L1范圍和L2 范圍。在進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的根部開有圓角R。防蝕片鑲嵌凹槽深度為t。長度為L1、 厚度為t的長條狀兩面包角形司太立合金片鑲嵌在防蝕片鑲嵌凹槽中，覆蓋背弧側的防蝕 片鑲嵌凹槽和進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L1范圍。進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L2范圍采用 銀釬料焊接填充。
[0024] 對于具體型號的汽輪機末級葉片，通過現有方法進行建模分析或利用經驗公式計 算，來確定圓角R、防蝕片鑲嵌凹槽深度t、背弧側的防蝕片鑲嵌凹槽長度L1和進汽邊的防蝕 片鑲嵌凹槽長度大于背弧側的防蝕片鑲嵌凹槽長度L2。
[0025] (1)末級葉片水蝕危險性評價
[0026]通過計算末級葉片材料水蝕系數E來判斷末級葉片水蝕危險性；國內外主要有德 國KWH、美國西屋公司和瑞士 BBC公司提出了水蝕系數E經驗公式。本發明根據級后蒸汽濕度 及大水滴在整個水分中所占比重沿葉高的變化曲線，采用準確度相對較高的德國KWH公司 的水蝕系數E經驗公式：
[0028]式中：
[0029] E-葉片材料水蝕系數；
[0030] yQ-級前濕度；
[0031] po-級前蒸汽靜壓，MPa;
[0032] D-葉片工作部分截面直徑，m;
[0033] n一汽輪機轉速，r/min。
[0034] 計算得出E，評價原則為E > 0.3的葉片高度范圍應采取水蝕防護措施，由此得出加 裝防蝕片合金槽背弧側長度L1。
[0035] (2)鑲嵌結構的有限元分析
[0036]建立末級葉片的三維模型，采用ANSYS軟件進行有限元分析。保持L1不變，對R、t、 L2的不同組合，計算末級葉片工作靜應力和動應力。
[0037] (3)鑲嵌結構的設計優化
[0038]根據鑲嵌結構有限元分析得出的靜應力和動應力相對大小，并考慮末級葉片機械 加工的便利性，最終得到R、t和L2,完成防蝕片低應力集中鑲嵌結構的定型設計。
[0039]采用上述方法計算Ll、R、t、L2具體數值的實施例：
[0040] (1)采用KWH公司的水蝕系數E經驗公式，計算得出秦山第二核電廠650MW核電汽輪 機優化型479.3mm次末級葉片加裝防蝕片合金槽背弧側長度L1 =91.07mm，實際取值90mm。
[0041] (2)采用ANSYS軟件進行有限元分析，計算得出R=10mm、t = lmm(t值是根據次末級 葉片長期實際運行水蝕情況確定的）和L2 = 10mm為最優：凹槽根部局部最大靜應力值和最 大動力值分別為111 .9MPa和1.19MPa，而原設計(Ll = 150mm，t = l .7mm)凹槽根部局部最大 靜應力值和最大動力值分別為188 ? 7MPa和2 ? 387MPa。
【主權項】
1. 一種汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構，其特征在于:在汽輪機末級葉片 頂部的進氣邊和背弧側葉型上開有L形包角的防蝕片鑲嵌凹槽，背弧側的防蝕片鑲嵌凹槽 長度為L1，進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度為L1+L2,由頂部至根部依次為L1范圍和L2范圍， 在進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的根部開有圓角R，防蝕片鑲嵌凹槽深度為t，長度為L1、厚度為 t的長條狀兩面包角形司太立合金片鑲嵌在防蝕片鑲嵌凹槽中，覆蓋背弧側的防蝕片鑲嵌 凹槽和進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L1范圍，進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽的L2范圍采用銀釬料 焊接填充。2. 根據權利要求1所述的汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構，其特征在于:所 述的防蝕片鑲嵌凹槽長度L1長度為90mm，圓角R的尺寸為10mm，防蝕片鑲嵌凹槽深度t為 1mm，進氣邊的防蝕片鑲嵌凹槽長度與背弧側的防蝕片鑲嵌凹槽長度的差值L2為10mm。
【專利摘要】本實用新型涉及核電站汽輪機機械結構設計技術領域，具體一種汽輪機末級葉片防蝕片低應力集中鑲嵌結構，目的是針對現有汽輪機末級葉片和次末級葉片頂部防蝕片鑲嵌結構存在應力集中系數過大可能導致材料疲勞裂紋在此鑲嵌結構部位的萌生和擴展進而導致葉片頂部斷裂的問題，克服現有技術的缺陷。本實用新型的汽輪機末級葉片防蝕片采用低應力集中鑲嵌結構，提高葉片機械結構的固有可靠性，提高了汽輪機運行的安全性和可靠性，有效防止汽輪機末級葉片頂部斷裂事故的發生；本實用新型已用于秦山第二核電廠核電汽輪機，其效果得到了實際的工程驗證。
【IPC分類】F01D5/28
【公開號】CN205349428
【申請號】CN201521070982
【發明人】張興田, 丁有元, 方江, 薛新才, 李邱達, 岳興華
【申請人】中核核電運行管理有限公司, 核電秦山聯營有限公司
【公開日】2016年6月29日
【申請日】2015年12月21日